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과제기본정보

파일럿시험 및 현장데이터 기반 로드헤더 굴진율 수정 예측모델 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 22CTAP-C164190-02
국가과학표준분류 1순위 원자력 | None | None 적용분야 건설업
2순위 화학공정 | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 원자력 | None | None 과제유형 응용
과제명 파일럿시험 및 현장데이터 기반 로드헤더 굴진율 수정 예측모델 개발
주관연구기관 (재)한국생산기술연구원
총괄연구 책임자 성명 조정우
소속 (재)한국생산기술연구원 직위 박사
전화번호 041-589-8114 FAX 041-589-8120
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2022-12-31
당해연도 연구기간 2022-01-01 ~ 2022-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
2차년도 210,000,000 0 0 0 210,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 파일럿시험 및 현장데이터 기반 로드헤더 굴진율 수정 예측모델 개발
- 파일럿시험 기반 한국형 순굴진율 예측모델 제안
- 터널현장 데이터 기반 로드헤더 성능예측모델 실증

○ 성과물(1차년)
1) 픽커터 절삭/마모 파일럿 시험시스템(Cerchar, NTNU, full-scale abrasion test) 구축 및 시험법 개발
2) 암석 형상효과 지수(shape index)규명 및 굴진예측 한국형 수정모델 제안
3) 로드헤더 가동조건을 고려한 동해석모델링 및 암반절삭해석 수행
4) 딥러닝 기반 마모수명/굴진예측 산정기법(알고리듬) 개발

○ 성과물(2차년)
1) 파일럿시험 기반 마모수명 및 순굴진율 수정 예측모델 제안
2) 로드헤더 예측모델 (open access) D/B 공유시스템 구축
3) 현장데이터 기반 실굴진율 예측모델 실증 및 개발완료
4) 한국형 예측모델 최적화 수행 및 최종개발(로드헤더 최적가동 매뉴얼 제안)
최종목표 - 대형(130톤급 이상) 로드헤더의 국내 암반터널 굴진율 수정 예측모델 개발
1차년: 실내시험기반 순굴진율 예측모델 개발
2차년: 터널 실증데이터 기반 실굴진율 한국형 예측모델 개발

-(연구착수시) 해외 선진사의 로드헤더 굴진율 예측모델을 국내에 도입하여 기초시험 혹은 시뮬레이션을 통해 기본 성능을 검증하는 단계임.
-(연구종료시) 한국형 로드헤더 굴진예측모델을 제안하고 실제 터널 굴진데이터를 취득하여 실제 환경에서 성능검증이 이루어지는 단계까지 개발하는 것이 최종 성과물임.
연구내용 및 범위 ○(1차년)실내시험 기반 순굴진모델 수정제안
1) 픽커터 절삭/마모 파일럿 시험시스템(Cerchar, NTNU, full-scale abrasion test) 구축
① 실내시험시스템 구축 및 시험수행
- 기존 실내시험법: 세르샤마모시험, NTNU마모시험
- 신규 개발 파일럿시험법: 파일럿 절삭/마모시험기
- 주관기관은 세르샤시험기와 파일럿 절삭/마모시험기를 보유하고 있음.
- 본 사업을 통해 NTNU시험기를 추가 구축하고자 함.(NTNU시험기는 설계/작동방법이 공개되어 있음)
② 실내시험을 통한 절삭/마모시험 수행
- 현장 암반시편 수집 및 성형
- 실제 로드헤더 구동조건으로 시험수행
- 마모성능지표(CAI, CLI 등) 절삭성능인자 도출
2) 암석 형상효과 지수(shape index)규명 및 굴진예측 한국형 수정모델 제안
① 현장암석 형상효과 규명
- 로드헤더 적용 터널현장 샘플 및 일반 암석시편 수집
- 암종별, 강도별 분류작업 수행
- 형상길이 비율(L/D=1.0, 2.0)에 대한 일축압축 강도시험 수행
② 형상효과 규명 및 수정모델 제안
- 한국 암종별 형상효과 규명
- 한국형(표준형) 순굴진율(net cutting rate) 수정 모델 제안
3) 로드헤더 가동조건을 고려한 동해석모델링 및 커팅헤드 절삭해석 수행
① 커팅헤드 동해석 모델생성
- 강체동역학 프로그램상 커팅헤드 픽커터 배열모델 생성
- 커팅헤드 회전시 절삭궤적 인식 및 물리적 접촉력 입력함수 고안
② 암반물성 및 가동조건이 고려된 절삭해석 수행
- 암반물성 입력 및 접촉면, 압입력, 회전력 추출을 위한 가상 강성모델 생성.
- 커팅헤드 회전/압입에 따른 접촉력 출력 및 회전토크치 출력
- 실험데이터 및 기존 문헌결과와 비교, 예비 검증
4) 딥러닝 기반 절삭성능/마모수명 산정 알고리듬 개발
① 실험변수, 실험출력값, 결과데이터의 3-4단계로 데이터셋을 분류함.
- 참여기관(샌드빅)으로부터 기존 마모파괴 패턴자료를 조사/입수함

② 픽커터 마모수명예측용 딥러닝 알고리듬을 제작함.
- 주요변수 추출 및 중간변수간 입출력 categorize 상관관계를 추출함.

③ 픽커터 마모절삭시험 수행
- 대상시편 강도를 설정하고 고강도 콘크리트시편으로 대상체 성형함.
- 현장사용으로 예비선정된 픽커터 후보군에 대해 예비시험을 수행함.
- 딥러닝 알고리듬의 카테고리식별 논리구조의 적합성을 사전 검증함.

○(2차년)터널 실증을 통한 실굴진율 예측모델 개발
1) 파일럿시험 기반 마모수명 및 순굴진율 수정 예측모델 제안
① 파일럿시험 기반 마모수명 예측방법 개발
- 시험조건, 설계조건, 운용조건, 암반조건에 따른 로드헤더 가동 시나리오 설정
- 가동방식에 따른 마모성능 및 절삭성능 지표를 도출함.
② 파일럿 시험을 통해 입력변수와 출력결과와 비교/검증
- 파일럿시험 기반 마모수명 예측모델을 제안함.
③ 현장사용 픽커터와 비교분석
- 로드헤더 터널현장에서 사용후 픽커터를 분류하여 파괴패턴을 분석함.
- 파일럿시험조건과 비교하여 마모예측방법의 유의성/정확도를 검증함.
④ 순굴진율 예측모델 제안
- 대상 적용예정 커팅헤드 모델을 선정.
- 파일럿 데이터 기반 절삭성능지표를 입력함.
- 한국형 순굴진율 예측모델을 제안함.
2) 로드헤더 굴진데이터 D/B 공유시스템 구축
① 주관기관 설계지원센터내 D/B 공유시스템 구축
- 기존 굴진예측 모델 D/B생성(스웨덴, 터키, 독일, 미국모델 등)
- 본 과업에서 제안한 한국형 예측모델 입력
② D/B시스템에 데이터 입력
- 로드헤더 모델, 커팅헤드 설계정보, 가동조건 입력
- 파일럿시험데이터 및 터널현장 데이터 입력
- 핵심 출력인자 추출(순굴진율, 가동율, 마모수명 등)
3) 현장데이터 기반 실굴진율 예측모델 실증
① 기존 예측모델 정확도 검사
- 터널현장의 실굴진율과 기존 예측모델의 결과값을 비교함.
- 핵심변수, 매개변수에 따른 굴진율 상관관계 분석
4) 한국형 예측모델 최적화 수행 및 최종안 발표
- 한국형 수정모델 정확도를 실증함.
- 기존모델과 한국형 모델의 정확도를 비교/분석하고, 변수 간의 상관관계를 규명함.
- 최적화 알고리듬을 통해 핵심변수의 정확도 향상
- 한국형 최적모델 최종 제안 및 발표 (로드헤더 가동 최적화 방법 제안)
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 ○(1차년)실내시험 기반 순굴진모델 수정제안
- 실내시험시스템 구축(Cerchar, NTNU, full-scale abrasion test)
- 암석 형상효과 지수규명 및 굴진예측 한국형 수정모델 제안
- 로드헤더 가동조건을 고려한 동해석 수행
- 딥러닝 기반 절삭성능/마모수명 산정 알고리듬 개발
1. 픽커터 절삭/마모 파일럿 시험시스템구축
- 파일럿 시험시스템(Cerchar, NTNU, full-scale abrasion test) 구축 및 시험수행
- 로드헤더의 커팅헤드/픽커터 기종에 따른 대표 절삭조건 규명

2. 암석 형상효과 지수(shape index)규명 및 굴진예측 한국형 수정모델 제안
- 현장암석 형상효과 규명, 형상효과 규명 및 굴진율 수정모델 제안

3. 로드헤더 가동조건을 고려한 동해석모델링 및 커팅헤드 절삭해석 수행

4. 딥러닝 기반 절삭성능/마모수명 산정 알고리듬 개발
- 딥러닝 알고리듬의 카테고리 식별 논리구조 생성
연구성과 기술적 기대성과 ○ 한국형 암반굴진예측 모델 제안/개발
- 정확한 거동 예측으로 터널굴진 정확도 확보
- 터널설계시(턴키 등) 굴진예측 모델 활용성 향상
- 로드헤더 장비사용 매뉴얼 제시, 시공 안전성 향상
사회 경제적 파급효과 ○ 활용계획 및 기대효과
- 국내 암반터널 설계시장 신규 기술수요 생성
- 터널설계시(턴키/입찰 등) 굴진예측 모델 활용 및 사회편익 발생
- 로드헤더 장비사용 매뉴얼 제시, 시공경제성 향상
활용방안 ○ 활용방안
- 국내 터널 기계화시장 신규 수요 창출
- 신모델 개발효과로 국내 터널/건설장비 시장 다원화
- 로드헤더 예측모델 건설신기술 도전 및 국외수요 발굴
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 로드헤더 픽 커터 절삭마모시험 공구 내구수명 터널 굴진율
영문 Roadheader Pick cutter abrasion test cutter durability penetration rate
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